在Android系統中，所有的應用程序進程以及系統服務進程SystemServer都是由Zygote進程孕育（fork）出來的，這也許就是為什么要把它稱為Zygote（受精卵）的原因吧。由于Zygote進程在Android系統中有著如此重要的地位，本文將詳細分析它的啟動過程。
在前面一篇文章Android應用程序進程啟動過程的源代碼分析中，我們看到了，當ActivityManagerService啟動一個應用程序的時候，就會通過Socket與Zygote進程進行通信，請求它fork一個子進程出來作為這個即將要啟動的應用程序的進程；在前面兩篇文章Android應用程序安裝過程源代碼分析和Android系統默認Home應用程序（Launcher）的啟動過程源代碼分析中，我們又看到了，系統中的兩個重要服務PackageManagerService和ActivityManagerService，都是由SystemServer進程來負責啟動的，而SystemServer進程本身是Zygote進程在啟動的過程中fork出來的。
我們知道，Android系統是基于Linux內核的，而在Linux系統中，所有的進程都是init進程的子孫進程，也就是說，所有的進程都是直接或者間接地由init進程fork出來的。Zygote進程也不例外，它是在系統啟動的過程，由init進程創建的。在系統啟動腳本system/core/rootdir/init.rc文件中，我們可以看到啟動Zygote進程的腳本命令：
service zygote /system/bin/app_process -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
socket zygote stream 666
onrestart write /sys/android_power/request_state wake
onrestart write /sys/power/state on
onrestart restart media
onrestart restart netd
前面的關鍵字service告訴init進程創建一個名為"zygote"的進程，這個zygote進程要執行的程序是/system/bin/app_process，后面是要傳給app_process的參數。
接下來的socket關鍵字表示這個zygote進程需要一個名稱為"zygote"的socket資源，這樣，系統啟動后，我們就可以在/dev/socket目錄下看到有一個名為zygote的文件。這里定義的socket的類型為unix domain socket，它是用來作本地進程間通信用的，具體可以參考前面一篇文章Android學習啟動篇提到的一書《Linux內核源代碼情景分析》的第七章--基于socket的進程間通信。前面我們說到的ActivityManagerService就是通這個socket來和zygote進程通信請求fork一個應用程序進程的了。
最后的一系列onrestart關鍵字表示這個zygote進程重啟時需要執行的命令。
關于init.rc文件的更多信息，請參考system/core/init/readme.txt文件。
了解了這個信息之后，我們就知道Zygote進程要執行的程序便是system/bin/app_process了，它的源代碼位于frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp文件中，入口函數是main。在繼續分析Zygote進程啟動的過程之前，我們先來看看它的啟動序列圖：
下面我們就詳細分析每一個步驟。
Step 1. app_process.main
這個函數定義在frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp文件中：
int main(int argc, const char* const argv[])
{
// These are global variables in ProcessState.cpp
mArgC = argc;
mArgV = argv;
mArgLen = 0;
for (int i=0; i<argc; i++) {
mArgLen += strlen(argv[i]) + 1;
}
mArgLen--;
AppRuntime runtime;
const char *arg;
argv0 = argv[0];
// Process command line arguments
// ignore argv[0]
argc--;
argv++;
// Everything up to '--' or first non '-' arg goes to the vm
int i = runtime.addVmArguments(argc, argv);
// Next arg is parent directory
if (i < argc) {
runtime.mParentDir = argv[i++];
}
// Next arg is startup classname or "--zygote"
if (i < argc) {
arg = argv[i++];
if (0 == strcmp("--zygote", arg)) {
bool startSystemServer = (i < argc) ?
strcmp(argv[i], "--start-system-server") == 0 : false;
setArgv0(argv0, "zygote");
set_process_name("zygote");
runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit",
startSystemServer);
} else {
set_process_name(argv0);
runtime.mClassName = arg;
// Remainder of args get passed to startup class main()
runtime.mArgC = argc-i;
runtime.mArgV = argv+i;
LOGV("App process is starting with pid=%d, class=%s.\n",
getpid(), runtime.getClassName());
runtime.start();
}
} else {
LOG_ALWAYS_FATAL("app_process: no class name or --zygote supplied.");
fprintf(stderr, "Error: no class name or --zygote supplied.\n");
app_usage();
return 10;
}
} 這個函數的主要作用就是創建一個AppRuntime變量，然后調用它的start成員函數。AppRuntime這個類我們在
Android應用程序進程啟動過程的源代碼分析一文中已經有過介紹了，它同樣是在frameworks/base/cmds/app_process/app_main.cpp文件中定義：
class AppRuntime : public AndroidRuntime
{
......
}; 它約繼承于AndroidRuntime類， AndroidRuntime類定義在frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp文件中：
......
static AndroidRuntime* gCurRuntime = NULL;
......
AndroidRuntime::AndroidRuntime()
{
......
assert(gCurRuntime == NULL); // one per process
gCurRuntime = this;
} 當AppRuntime對象創建時，會調用其父類AndroidRuntime的構造函數，而在AndroidRuntime類的構造函數里面，會將this指針保存在靜態全局變量gCurRuntime中，這樣，當其它地方需要使用這個AppRuntime對象時，就可以通過同一個文件中的這個函數來獲取這個對象的指針：
AndroidRuntime* AndroidRuntime::getRuntime()
{
return gCurRuntime;
}
回到上面的main函數中，由于我們在init.rc文件中，設置了app_process啟動參數--zygote和--start-system-server，因此，在main函數里面，最終會執行下面語句：
runtime.start("com.android.internal.os.ZygoteInit",
startSystemServer); 這里的參數startSystemServer為true，表示要啟動SystemServer組件。由于AppRuntime沒有實現自己的start函數，它繼承了父類AndroidRuntime的start函數，因此，下面會執行AndroidRuntime類的start函數。
Step 2. AndroidRuntime.start
這個函數定義在frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp文件中：
/*
* Start the Android runtime. This involves starting the virtual machine
* and calling the "static void main(String[] args)" method in the class
* named by "className".
*/
void AndroidRuntime::start(const char* className, const bool startSystemServer)
{
......
char* slashClassName = NULL;
char* cp;
JNIEnv* env;
......
/* start the virtual machine */
if (startVm(&mJavaVM, &env) != 0)
goto bail;
/*
* Register android functions.
*/
if (startReg(env) < 0) {
LOGE("Unable to register all android natives\n");
goto bail;
}
/*
* We want to call main() with a String array with arguments in it.
* At present we only have one argument, the class name. Create an
* array to hold it.
*/
jclass stringClass;
jobjectArray strArray;
jstring classNameStr;
jstring startSystemServerStr;
stringClass = env->FindClass("java/lang/String");
assert(stringClass != NULL);
strArray = env->NewObjectArray(2, stringClass, NULL);
assert(strArray != NULL);
classNameStr = env->NewStringUTF(className);
assert(classNameStr != NULL);
env->SetObjectArrayElement(strArray, 0, classNameStr);
startSystemServerStr = env->NewStringUTF(startSystemServer ?
"true" : "false");
env->SetObjectArrayElement(strArray, 1, startSystemServerStr);
/*
* Start VM. This thread becomes the main thread of the VM, and will
* not return until the VM exits.
*/
jclass startClass;
jmethodID startMeth;
slashClassName = strdup(className);
for (cp = slashClassName; *cp != '\0'; cp++)
if (*cp == '.')
*cp = '/';
startClass = env->FindClass(slashClassName);
if (startClass == NULL) {
......
} else {
startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
"([Ljava/lang/String;)V");
if (startMeth == NULL) {
......
} else {
env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);
......
}
}
......
} 這個函數的作用是啟動Android系統運行時庫，它主要做了三件事情，一是調用函數startVM啟動虛擬機，二是調用函數startReg注冊JNI方法，三是調用了com.android.internal.os.ZygoteInit類的main函數。
Step 3. ZygoteInit.main
這個函數定義在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：
public class ZygoteInit {
......
public static void main(String argv[]) {
try {
......
registerZygoteSocket();
......
......
if (argv[1].equals("true")) {
startSystemServer();
} else if (!argv[1].equals("false")) {
......
}
......
if (ZYGOTE_FORK_MODE) {
......
} else {
runSelectLoopMode();
}
......
} catch (MethodAndArgsCaller caller) {
......
} catch (RuntimeException ex) {
......
}
}
......
} 它主要作了三件事情，一個調用registerZygoteSocket函數創建了一個socket接口，用來和ActivityManagerService通訊，二是調用startSystemServer函數來啟動SystemServer組件，三是調用runSelectLoopMode函數進入一個無限循環在前面創建的socket接口上等待ActivityManagerService請求創建新的應用程序進程。
Step 4. ZygoteInit.registerZygoteSocket
這個函數定義在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：
public class ZygoteInit {
......
/**
* Registers a server socket for zygote command connections
*
* @throws RuntimeException when open fails
*/
private static void registerZygoteSocket() {
if (sServerSocket == null) {
int fileDesc;
try {
String env = System.getenv(ANDROID_SOCKET_ENV);
fileDesc = Integer.parseInt(env);
} catch (RuntimeException ex) {
......
}
try {
sServerSocket = new LocalServerSocket(
createFileDescriptor(fileDesc));
} catch (IOException ex) {
.......
}
}
}
......
} 這個socket接口是通過文件描述符來創建的，這個文件描符代表的就是我們前面說的/dev/socket/zygote文件了。這個文件描述符是通過環境變量ANDROID_SOCKET_ENV得到的，它定義為：
public class ZygoteInit {
......
private static final String ANDROID_SOCKET_ENV = "ANDROID_SOCKET_zygote";
......
} 那么，這個環境變量的值又是由誰來設置的呢？我們知道，系統啟動腳本文件system/core/rootdir/init.rc是由init進程來解釋執行的，而init進程的源代碼位于system/core/init目錄中，在init.c文件中，是由service_start函數來解釋init.rc文件中的service命令的：
void service_start(struct service *svc, const char *dynamic_args)
{
......
pid_t pid;
......
pid = fork();
if (pid == 0) {
struct socketinfo *si;
......
for (si = svc->sockets; si; si = si->next) {
int socket_type = (
!strcmp(si->type, "stream") ? SOCK_STREAM :
(!strcmp(si->type, "dgram") ? SOCK_DGRAM : SOCK_SEQPACKET));
int s = create_socket(si->name, socket_type,
si->perm, si->uid, si->gid);
if (s >= 0) {
publish_socket(si->name, s);
}
}
......
}
......
} 每一個service命令都會促使init進程調用fork函數來創建一個新的進程，在新的進程里面，會分析里面的socket選項，對于每一個socket選項，都會通過create_socket函數來在/dev/socket目錄下創建一個文件，在這個場景中，這個文件便是zygote了，然后得到的文件描述符通過publish_socket函數寫入到環境變量中去：
static void publish_socket(const char *name, int fd)
{
char key[64] = ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX;
char val[64];
strlcpy(key + sizeof(ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX) - 1,
name,
sizeof(key) - sizeof(ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX));
snprintf(val, sizeof(val), "%d", fd);
add_environment(key, val);
/* make sure we don't close-on-exec */
fcntl(fd, F_SETFD, 0);
}
這里傳進來的參數name值為"zygote"，而ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX在system/core/include/cutils/sockets.h定義為：
#define ANDROID_SOCKET_ENV_PREFIX "ANDROID_SOCKET_"
因此，這里就把上面得到的文件描述符寫入到以"ANDROID_SOCKET_zygote"為key值的環境變量中。又因為上面的ZygoteInit.registerZygoteSocket函數與這里創建socket文件的create_socket函數是運行在同一個進程中，因此，上面的ZygoteInit.registerZygoteSocket函數可以直接使用這個文件描述符來創建一個Java層的LocalServerSocket對象。如果其它進程也需要打開這個/dev/socket/zygote文件來和Zygote進程進行通信，那就必須要通過文件名來連接這個LocalServerSocket了，參考
Android應用程序進程啟動過程的源代碼分析一文中的Step 4，ActivityManagerService是通過Process.start函數來創建一個新的進程的，而Process.start函數會首先通過Socket連接到Zygote進程中，最終由Zygote進程來完成創建新的應用程序進程，而Process類是通過openZygoteSocketIfNeeded函數來連接到Zygote進程中的Socket的：
public class Process {
......
private static void openZygoteSocketIfNeeded()
throws ZygoteStartFailedEx {
......
for (int retry = 0
; (sZygoteSocket == null) && (retry < (retryCount + 1))
; retry++ ) {
......
try {
sZygoteSocket = new LocalSocket();
sZygoteSocket.connect(new LocalSocketAddress(ZYGOTE_SOCKET,
LocalSocketAddress.Namespace.RESERVED));
sZygoteInputStream
= new DataInputStream(sZygoteSocket.getInputStream());
sZygoteWriter =
new BufferedWriter(
new OutputStreamWriter(
sZygoteSocket.getOutputStream()),
256);
......
} catch (IOException ex) {
......
}
}
......
}
......
} 這里的ZYGOTE_SOCKET定義為：
public class Process {
......
private static final String ZYGOTE_SOCKET = "zygote";
......
} 它剛好就是對應/dev/socket目錄下的zygote文件了。
Android系統中的socket機制和binder機制一樣，都是可以用來進行進程間通信，讀者可以自己對比一下這兩者的不同之處，Binder進程間通信機制可以參考Android進程間通信（IPC）機制Binder簡要介紹和學習計劃一文。
Socket對象創建完成之后，回到Step 3中的ZygoteInit.main函數中，startSystemServer函數來啟動SystemServer組件。
Step 5. ZygoteInit.startSystemServer
這個函數定義在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：
public class ZygoteInit {
......
private static boolean startSystemServer()
throws MethodAndArgsCaller, RuntimeException {
/* Hardcoded command line to start the system server */
String args[] = {
"--setuid=1000",
"--setgid=1000",
"--setgroups=1001,1002,1003,1004,1005,1006,1007,1008,1009,1010,1018,3001,3002,3003",
"--capabilities=130104352,130104352",
"--runtime-init",
"--nice-name=system_server",
"com.android.server.SystemServer",
};
ZygoteConnection.Arguments parsedArgs = null;
int pid;
try {
parsedArgs = new ZygoteConnection.Arguments(args);
......
/* Request to fork the system server process */
pid = Zygote.forkSystemServer(
parsedArgs.uid, parsedArgs.gid,
parsedArgs.gids, debugFlags, null,
parsedArgs.permittedCapabilities,
parsedArgs.effectiveCapabilities);
} catch (IllegalArgumentException ex) {
......
}
/* For child process */
if (pid == 0) {
handleSystemServerProcess(parsedArgs);
}
return true;
}
......
} 這里我們可以看到，Zygote進程通過Zygote.forkSystemServer函數來創建一個新的進程來啟動SystemServer組件，返回值pid等0的地方就是新的進程要執行的路徑，即新創建的進程會執行handleSystemServerProcess函數。
Step 6. ZygoteInit.handleSystemServerProcess
這個函數定義在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：
public class ZygoteInit {
......
private static void handleSystemServerProcess(
ZygoteConnection.Arguments parsedArgs)
throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
closeServerSocket();
/*
* Pass the remaining arguments to SystemServer.
* "--nice-name=system_server com.android.server.SystemServer"
*/
RuntimeInit.zygoteInit(parsedArgs.remainingArgs);
/* should never reach here */
}
......
} 由于由Zygote進程創建的子進程會繼承Zygote進程在前面Step 4中創建的Socket文件描述符，而這里的子進程又不會用到它，因此，這里就調用closeServerSocket函數來關閉它。這個函數接著調用RuntimeInit.zygoteInit函數來進一步執行啟動SystemServer組件的操作。
Step 7. RuntimeInit.zygoteInit
這個函數定義在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java文件中：
public class RuntimeInit {
......
public static final void zygoteInit(String[] argv)
throws ZygoteInit.MethodAndArgsCaller {
......
zygoteInitNative();
......
// Remaining arguments are passed to the start class's static main
String startClass = argv[curArg++];
String[] startArgs = new String[argv.length - curArg];
System.arraycopy(argv, curArg, startArgs, 0, startArgs.length);
invokeStaticMain(startClass, startArgs);
}
......
} 這個函數會執行兩個操作，一個是調用zygoteInitNative函數來執行一個Binder進程間通信機制的初始化工作，這個工作完成之后，這個進程中的Binder對象就可以方便地進行進程間通信了，另一個是調用上面Step 5傳進來的com.android.server.SystemServer類的main函數。
Step 8. RuntimeInit.zygoteInitNative
這個函數定義在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/RuntimeInit.java文件中：
public class RuntimeInit {
......
public static final native void zygoteInitNative();
......
} 這里可以看出，函數zygoteInitNative是一個Native函數，實現在frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp文件中，這里我們就不再細看了，具體可以參考
Android應用程序進程啟動過程的源代碼分析一文的Step 9，完成這一步后，這個進程的Binder進程間通信機制基礎設施就準備好了。
回到Step 7中的RuntimeInit.zygoteInitNative函數，下一步它就要執行com.android.server.SystemServer類的main函數了。
Step 9. SystemServer.main
這個函數定義在frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java文件中：
public class SystemServer
{
......
native public static void init1(String[] args);
......
public static void main(String[] args) {
......
init1(args);
......
}
public static final void init2() {
Slog.i(TAG, "Entered the Android system server!");
Thread thr = new ServerThread();
thr.setName("android.server.ServerThread");
thr.start();
}
......
} 這里的main函數首先會執行JNI方法init1，然后init1會調用這里的init2函數，在init2函數里面，會創建一個ServerThread線程對象來執行一些系統關鍵服務的啟動操作，例如我們在前面兩篇文章
Android應用程序安裝過程源代碼分析和
Android系統默認Home應用程序（Launcher）的啟動過程源代碼分析中提到的PackageManagerService和ActivityManagerService。
這一步的具體執行過程可以參考
Android應用程序安裝過程源代碼分析一文，這里就不再詳述了。
這里執行完成后，層層返回，最后回到上面的Step 3中的ZygoteInit.main函數中，接下來它就要調用runSelectLoopMode函數進入一個無限循環在前面Step 4中創建的socket接口上等待ActivityManagerService請求創建新的應用程序進程了。
Step 10. ZygoteInit.runSelectLoopMode
這個函數定義在frameworks/base/core/java/com/android/internal/os/ZygoteInit.java文件中：
public class ZygoteInit {
......
private static void runSelectLoopMode() throws MethodAndArgsCaller {
ArrayList<FileDescriptor> fds = new ArrayList();
ArrayList<ZygoteConnection> peers = new ArrayList();
FileDescriptor[] fdArray = new FileDescriptor[4];
fds.add(sServerSocket.getFileDescriptor());
peers.add(null);
int loopCount = GC_LOOP_COUNT;
while (true) {
int index;
......
try {
fdArray = fds.toArray(fdArray);
index = selectReadable(fdArray);
} catch (IOException ex) {
throw new RuntimeException("Error in select()", ex);
}
if (index < 0) {
throw new RuntimeException("Error in select()");
} else if (index == 0) {
ZygoteConnection newPeer = acceptCommandPeer();
peers.add(newPeer);
fds.add(newPeer.getFileDesciptor());
} else {
boolean done;
done = peers.get(index).runOnce();
if (done) {
peers.remove(index);
fds.remove(index);
}
}
}
}
......
} 這個函數我們已經在
Android應用程序進程啟動過程的源代碼分析一文的Step 5中分析過了，這就是在等待ActivityManagerService來連接這個Socket，然后調用ZygoteConnection.runOnce函數來創建新的應用程序，有興趣的讀者可以參考
Android應用程序進程啟動過程的源代碼分析這篇文章，這里就不再詳述了。
這樣，Zygote進程就啟動完成了，學習到這里，我們終于都對Android系統中的進程有了一個深刻的認識了，這里總結一下：
1. 系統啟動時init進程會創建Zygote進程，Zygote進程負責后續Android應用程序框架層的其它進程的創建和啟動工作。
2. Zygote進程會首先創建一個SystemServer進程，SystemServer進程負責啟動系統的關鍵服務，如包管理服務PackageManagerService和應用程序組件管理服務ActivityManagerService。
3. 當我們需要啟動一個Android應用程序時，ActivityManagerService會通過Socket進程間通信機制，通知Zygote進程為這個應用程序創建一個新的進程。
作者：Luoshengyang 發表于2011-9-19 0:59:08
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posted on 2012-04-17 21:32
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